Verteidigung-Masterarbeit

Empirische Studie zum Wirkungsgrad:
Ein Vergleich zwischen sitzendem und stehendem Fahren auf dem Fahrradergometer

Verfasser:
Johannes Joachim Richard Will

Betreuerin:
Dr. Martina Clauß

Gutachterinnen:
Dr. Martina Clauß
Dr. Anna Katharina Dunst

Datum:
11.02.2025

Umsetzung der Arbeit als Webseite

  • Verwendung der Open-Source-Programmiersprache R und Quarto
  • Ermöglicht die Erstellung von Dokumenten, Präsentationen, Büchern oder Webseiten
  • Unterstützung mehrerer Programmiersprachen (R, Python, Julia…)
  • Mithilfe von GitHub eine öffentlich zugängliche Webseite erstellt

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

  • Integration und Ausführung von Code-Segmenten direkt in der Arbeit
  • Erweiterte Möglichkeiten der Datenvisualisierung
# Beispiel-Abbildung erstellen
ggplot(df_spiro_beispiel, aes(x = t_s)) +
  geom_line(aes(y = `V'O2`), color = "#1CADE4", size = 1) +
  geom_line(aes(y = `V'CO2`), color = "#EF5350", size = 1) +
  scale_x_continuous(limits = c(0, max(df_spiro_beispiel$t_s)),breaks = seq(0, max(df_spiro_beispiel$t_s), 100), 
                     expand = c(0, 0)) +
  scale_y_continuous(limits = c(0, 5),breaks = seq(0, 5, 1.0), labels = function(x) sprintf("%.1f", x)) +
  labs(x = "Zeit [s]", y = "V̇O₂ & V̇CO₂ [l · min⁻¹]") +
  theme_minimal()

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

  • Effiziente Verarbeitung und Einbindung großer Datensätze
# Excel-Datensatz laden und darstellen
Stichprobe_df <- read_excel("Probanden_Daten 2.2.xlsm", sheet = "Stichprobe_final", range = "A1:Y10") %>%
  mutate(across(everything(), ~gsub(",", ".", .))) %>%
  mutate(across(-2, as.numeric)) %>%
  mutate(across(c(8, 10, 13, 15, 17, 19, 21, 23), ~round(., 2)))
datatable(Stichprobe_df, options = list(scrollX = TRUE, scrollY = "240px", dom = 't', order = list(list(0, 'asc')), 
                                        initComplete = JS("function(settings, json) {$(this.api().table().container()).css({'font-size': '70%'});}")), rownames = FALSE)

Möglichkeiten der Web-basierten Masterarbeit

  • Einbindung interaktiver Anwendungen (Shiny-Apps)
  • Transparente Darstellung des Quellcodes und der verwendeten Datensätze


Sehr hohe Reproduzierbarkeit der Analysen und der Ergebnisse

Link: Website/Anaerobe-alaktazide Energiebereitstellung

Wirkungsgrad beim Radfahren

  • Wirkungsgrad als zentrale Größe der Energiekonversion beim Radfahren
  • Präzise Berechnung möglich durch:
    • Messbare externe mechanische Leistung
    • Messbaren metabolischen Energieumsatz
  • Forschungsschwerpunkt auf sitzender Position
  • Stehende Position trotz praktischer Relevanz wenig untersucht
    • 22-34% der Fahrtzeit bei Bergaufzeitfahren im Stehen (Steigung 5-7%)

→ Wirkungsgrad ein leistungsdeterminierender Parameter
→ Fahren im Stehen eine energetisch gleichwertige Alternative?

  • Bergaufzeitfahren Bouillod & Grappe (2018b) und Harnish et al. (2007)

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Unterschiede: Sitzen vs. Stehen

Biomechanische Unterschiede:

  • Körperschwerpunkt nach vorne verlagert
  • Niedrigere selbstgewählte Trittrate bei vergleichbarer Belastung
  • Höhere tangentiale Pedalkräfte
  • Zusätzliche Freiheitsgrade durch laterale Schwingungsmöglichkeit
  • Körpermasse nicht durch Sattel gestützt

Veränderte Muskelaktivierung:

  • ↓ Untere Beinmuskulatur
  • ↑ Obere Beinmuskulatur
  • ↑ Rumpf- & Oberkörpermuskulatur

  • Muskelaktivierung: (Arkesteijn et al., 2016; Berkemeier et al., 2020; Kistemaker et al., 2023; Li & Caldwell, 1998)
  • Komplexe biomechanische Änderungen
  • Differenzierte Muskelaktivierung
  • Leistungsvorteile bei hoher Intensität

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Unterschiede: Sitzen vs. Stehen

Intensitätsabhängige Effekte:

  • Höhere maximale Kurzzeitleistung (30s) im Stehen möglich (+26%)
  • Metabolische Beanspruchungsparameter (\(\dot{V}O_{2,max}\) & Herzrate):
    • Submaximal (<80% \(\dot{V}O_{2,max}\)): Erhöhte metabolische Beanspruchung im Stehen
    • Hochintensiv (>80% \(\dot{V}O_{2,max}\)): Angleichung zwischen den Positionen

  • Höhere Kurzzeitleistung im Stehen möglich (+26%) (Millet et al., 2002)
  • Submaximal (<80% \(\dot{V}O_{2,max}\)) -> (Ryschon & Stray-Gundersen, 1991; Tanaka et al., 1996)
  • Hochintensiv (>80% \(\dot{V}O_{2,max}\)) -> (Hansen & Waldeland, 2008; Tanaka et al., 1996)

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Wirkungsgrad (η)

  • Verhältnis zwischen verrichteter mechanischer Arbeit und aufgewendeter metabolischer Arbeit
  • Die nicht als mechanische Arbeit nutzbare Energie wird hauptsächlich in Form von Wärme abgegeben
  • Optimierung des η ermöglicht mehr mechanische Arbeit bei gleichem metabolischen Aufwand

\[ \scriptsize \text{η} = \frac{\text{W}_{mech} + \text{W}_{Int}}{\text{W}_{metabolisch}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische + Innere Arbeit

η

→

≈

10-30%

  • Ein bedeutender Teil dieser Wärme entsteht durch Reibungsprozesse

ATP = universeller Energieträger, muss ständig regeneriert werden 1. anaerobe-alaktazid - Kreatinphosphat-Spaltung - Sofort verfügbar, nur ca. 10 Sekunden 2. anaerobe-laktazid - Glykolyse ohne O2 -> erzeugt Laktat - Schnell verfügbar, mittlere Dauer 3. Aerob - Verstoffwechselung mit O2 (Kohlenhydrate/Fette) - Langsam verfügbar, lange Dauer - Hauptenergiequelle bei langen Belastungen

Link: Website/Wirkungsgrad

Bruttowirkungsgrad (ηBrutto)

  • Einfachste Berechnungsmethode auf Basis der aeroben Energiebereitstellung
  • Stark von Ruheenergieumsatz beeinflusst, daher intensitätsabhängig
  • Abhängig von der Trittrate

\[ \scriptsize \text{η}_{Brutto} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Aerob}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

ηBrutto

→

≈

19-22%

Link: Website/Wirkungsgrad

ATP = universeller Energieträger, muss ständig regeneriert werden 1. anaerobe-alaktazid - Kreatinphosphat-Spaltung - Sofort verfügbar, nur ca. 10 Sekunden 2. anaerobe-laktazid - Glykolyse ohne O2 -> erzeugt Laktat - Schnell verfügbar, mittlere Dauer 3. Aerob - Verstoffwechselung mit O2 (Kohlenhydrate/Fette) - Langsam verfügbar, lange Dauer - Hauptenergiequelle bei langen Belastungen

Nettowirkungsgrad (ηNetto)

  • Eliminiert den Einfluss des Ruheenergieumsatzes
  • Abhängig von der Trittrate

\[ \scriptsize \text{η}_{Netto} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Aerob} - \text{W}_{Ruhe}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

ηNetto

→

≈

19-24%

Link: Website/Wirkungsgrad

Gesamtwirkungsgrad (ηTotal)

  • Berücksichtigt die anaeroben Komponenten des Energieumsatzes
  • \(\scriptsize \text{W}_{Tot} = \text{W}_{Aerob} + \text{W}_{BLC} + \text{W}_{PCr}\)
  • Abhängig von der Trittrate

\[ \scriptsize \text{η}_{Total} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

ηTotal

→

≈

? %

ATP = universeller Energieträger, muss ständig regeneriert werden 1. anaerobe-alaktazid - Kreatinphosphat-Spaltung - Sofort verfügbar, nur ca. 10 Sekunden 2. anaerobe-laktazid - Glykolyse ohne O2 -> erzeugt Laktat - Schnell verfügbar, mittlere Dauer 3. Aerob - Verstoffwechselung mit O2 (Kohlenhydrate/Fette) - Langsam verfügbar, lange Dauer - Hauptenergiequelle bei langen Belastungen

Link: Website/Wirkungsgrad

Arbeitswirkungsgrad (ηArbeit)

  • Berücksichtigt metabolische Kosten der Leerbewegung
  • Keine Abhängigkeit von der Trittrate

\[ \scriptsize \text{η}_{Arbeit} = \frac{\text{W}_{mech}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe} - \text{W}_{Leerbewegung}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische Arbeit

ηArbeit

→

≈

21-30%

  • Zusammen mit dem muskulären Wirk. die höchsten Werte
  • Wobei hier in der Literatur in der Regel nicht die anaeroben Komponenten berücksichtigt wurden
    • Deshalb höher in der Literatur

Link: Website/Wirkungsgrad

Muskulärer Wirkungsgrad (ηmuskulär)

  • Berücksichtigt die innere Arbeit
  • Keine Abhängigkeit von der Trittrate

\[ \scriptsize \text{η}_{muskulär} = \frac{\text{W}_{mech} + \text{W}_{Int}}{\text{W}_{Tot} - \text{W}_{Ruhe}} \]

Metabolische Arbeit

Mechanische + Innere Arbeit

ηmuskulär

→

≈

27-34%

  • Zusammen mit dem muskulären Wirk. die höchsten Werte
  • Wobei hier in der Literatur in der Regel nicht die anaeroben Komponenten berücksichtigt wurden
    • Deshalb höher in der Literatur

Link: Website/Wirkungsgrad

Berechnung der Energieanteile

Aerobe Energiekomponente

WAerob

Anaerobe-laktazide Energiekomponente

WBLC

Anaerobe-alaktazide Energiekomponente

WPCr

ATP = universeller Energieträger, muss ständig regeneriert werden über die 3 Energiebereitstellungswege

  • anaerobe-alaktazid
    • Kreatinphosphat-Spaltung
    • Sofort verfügbar, nur ca. 10 Sekunden
  • anaerobe-laktazid
    • Glykolyse ohne O₂, erzeugt Laktat
    • Schnell verfügbar, mittlere Dauer
  • Aerob
    • Verstoffwechselung mit O2 (Kohlenhydrate/Fette)
    • Langsam verfügbar, lange Dauer
    • Hauptenergiequelle bei langen Belastungen

Link: Website/Energieumsatzberechnung

Aerobe Energiekomponente (WAerob)

  • Messung des Sauerstoffvolumenstrom in Ruhe \(\dot{V}O_{2, Ruhe}(t)\) mittels Spirometrie und des kalorischen Äquivalents (kÄ) anhand des individuell gemessenen RQ (t)

  • Berechnung von WAerob:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2,Netto}(t) = \dot{V}O_{2,Belastung}(t) - \dot{V}O_{2,Ruhe}(t) \\ \scriptsize W_{Aerob} = \overline{\dot{V}O_{2,Netto}} \cdot \overline{kÄ}_{Bel} \cdot t \]

Link: Website/Aerobe Energiekomponente

Aerobe Energiekomponente (WAerob)

  • Berechnung des \(\dot{V}O_{2, Ruhe}(t)\) nach Harris-Benedict (1918)

\[ \scriptsize \!\begin{aligned} \text{Grundumsatz:} \rightarrow h_{f, m}\,[kcal] &= \begin{cases} h_{f} = 655.1 + (9.563 \cdot M) + (1.850 \cdot L) - (4.676 \cdot A)\\ h_{m} = 66.5 \,+ (13.75 \cdot M) + (5.003 \cdot L) - (6.775 \cdot A) \end{cases} \end{aligned} \]

\[ \scriptsize \!\begin{aligned} \text{Ruheumsatz:} \rightarrow RMR_{f, m}\,[l \cdot min^{-1}] &= \begin{cases} RMR_{f} = \left( \frac{h_{f}}{24 \, \cdot 60 \cdot kÄ} \right) \cdot 4.1868 \cdot 1.278\\ RMR_{m} = \left( \frac{h_{m}}{24 \cdot 60 \cdot kÄ} \right) \cdot 4.1868 \cdot 1.287 \end{cases} \end{aligned} \]

  • Berechnung von WAerob:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2,Netto}(t) = \dot{V}O_{2,Belastung}(t) - \dot{V}O_{2,Ruhe}(t) \\ \scriptsize W_{Aerob} = \overline{\dot{V}O_{2,Netto}} \cdot \overline{kÄ}_{Bel} \cdot t \]

Link: Website/Aerobe Energiekomponente

Anaerobe-laktazide Energiekomponente (WBLC)

  • Berechnung von WBLC aus:
    • Blutlaktatwert vor Belastung (BLCPre)
    • Maximaler Laktatwert nach Belastung (BLCmax)
    • Nettoblutlaktatwert: BLCNetto = BLCmax - BLCPre

\[ \scriptsize W_{BLC} \, [\text{kJ}] = \frac{ BLC_{Netto} \, [\text{mmol} \cdot \text{l}^{-1}] \cdot 3.0 \, [\text{ml O}_2 \cdot \text{kg}^{-1} \cdot \text{mmol}^{-1} \cdot \text{l}] \cdot \text{Körpermasse} \, [\text{kg}] \cdot kÄ_{\text{KH}} \, [\text{J} \cdot \text{ml}^{-1} \,\text{O}_2] }{1000} \]

  • Sauerstoff-Laktat-Äquivalent: 3.0 [ml O2·kg-1·mmol-1·l]
    • Menge O2 um ein mmol Laktat abzubauen
  • Kalorisches Äquivalent für Kohlenhydrate (kÄKH): 21.131 [kJ·l-1 O2] bei RQ = 1.0

Link: Website/Anaerobe- laktazide Energiekomponente

Anaerobe-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

  • Bestimmung durch Excess Post-Exercise Oxygen Consumption (EPOC)
    • Sauerstoffmenge nach Belastungsende über dem Ruhebedarf
    • EPOCfast: ATP/PCr- und O2-Speicher Wiederauffüllung (alaktazide anaerobe Energiebereitstellung)
    • EPOCslow: Metabolische Nachbelastungseffekte (Sympathikusaktivität, HKS, Laktat)

Link: Website/Anaerobe- alaktazide Energiekomponente

Anaerobe-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

  • Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

  1. Bestimmung von \(\tau\) zur zeitlichen Abgrenzung der Komponenten

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A \cdot e^{-(t / \tau)} + C \]

  • Dreistufige Modellierung war robuster und ermöglichte breitere Grenzen der Modellparameter

  • \(A_{fast}\): Amplitude der schnellen EPOC-Komponente

  • \(A_{slow}\): Amplitude der langsamen EPOC-Komponente

  • \(\tau_{fast}\): Zeitkonstante der schnellen Komponente

  • \(\tau_{slow}\): Zeitkonstante der langsamen Komponente

  • \(\dot{V}O_{2,Referenz}\): Referenz-Sauerstoffaufnahme

Link: Website/Anaerobe- alaktazide Energiekomponente

Anaerobe-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

  • Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

  1. Modellierung der EPOCslow

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC, slow}\,(t) = A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

  • \(A_{fast}\): Amplitude der schnellen EPOC-Komponente
  • \(A_{slow}\): Amplitude der langsamen EPOC-Komponente
  • \(\tau_{fast}\): Zeitkonstante der schnellen Komponente
  • \(\tau_{slow}\): Zeitkonstante der langsamen Komponente
  • \(\dot{V}O_{2,Referenz}\): Referenz-Sauerstoffaufnahme

Link: Website/Anaerobe- alaktazide Energiekomponente

Anaerobe-alaktazide Energiekomponente (WPCr)

  • Dreistufige EPOC-Modellierung mittels bi-exponentieller Funktion:

\[ \scriptsize \dot{V}O_{2EPOC}\,(t) = A_{fast} \cdot e^{-(t / \tau_{fast})} + A_{slow} \cdot e^{-(t / \tau_{slow})} + \dot{V}O_{2,Referenz} \]

  1. Modellierung der EPOCfast

  • \(A_{fast}\): Amplitude der schnellen EPOC-Komponente
  • \(A_{slow}\): Amplitude der langsamen EPOC-Komponente
  • \(\tau_{fast}\): Zeitkonstante der schnellen Komponente
  • \(\tau_{slow}\): Zeitkonstante der langsamen Komponente
  • \(\dot{V}O_{2,Referenz}\): Referenz-Sauerstoffaufnahme

Link: Website/Anaerobe- alaktazide Energiekomponente

Mechanische Gesamtarbeit

  • Die mechanische Gesamtarbeit beim Radfahren setzt sich aus zwei Komponenten zusammen:

\[ \scriptsize \text{Mechanische Gesamtarbeit}\,\text{(W}_{mech,Tot}\text{)} = \text{Mechanischen Arbeit}\,\text{(W}_{mech}\text{)} + \text{Innere Arbeit}\,\text{(W}_{Int}\text{)} \]

Link: Website/Mechanische Arbeit

Mechanische Arbeit (Wmech)

  • Quantifizierung der mechanischen Arbeit (Wmech)
    1. Tangentialdrehmomente (\(M_T(\theta)\)) beider Pedale erfasst
    2. Winkelgeschwindigkeit (\(\omega(\theta)\)) der Tretkurbel erfasst
    3. \(\bar{P}_{mech}(\theta) = \bar{M}_T(\theta) \cdot \bar{\omega}(\theta)\)
    4. \(\bar{P}_{mech} = \bar{P}_{mech,links} + \bar{P}_{mech,rechts}\)
    5. \(W_{mech} = \frac{\bar{P}_{mech} \cdot t}{1000}\)

  • \(\theta\) = Kurbelwinkel (0° bis 360°)
  • Überstrich (\(\bar{M}\)) = Mittelwert über alle Umdrehungen

Link: Website/Mechanische Arbeit

Tangentialleistung

Link: Website/Mechanische Arbeit

Innere Arbeit (WInt)

  • Beschreibt die energetischen Aufwendungen für die Bewegung der unteren Extremitäten zur Aufrechterhaltung der zyklischen Tretbewegung
  • Segmente der unteren Extremitäten bewegen sich entlang eines spezifischen Pfades
  • Aus physikalischer Perspektive entsteht dabei keine Nettoarbeit

Link: Website/Innere Arbeit

Innere Arbeit (WInt)

  • Beschreibt die energetischen Aufwendungen für die Bewegung der unteren Extremitäten zur Aufrechterhaltung der zyklischen Tretbewegung
  • Segmente der unteren Extremitäten bewegen sich entlang eines spezifischen Pfades
  • Aus physikalischer Perspektive entsteht dabei keine Nettoarbeit

Link: Website/Innere Arbeit

Innere Arbeit (WInt)

  • WInt berechnet sich aus den Änderungen der kinetischen Energien der Segmente
    1. Kinetische Energien der einzelnen Segmentschwerpunkte:
      • Translatorisch: \(E_{kin,trans} = \sum_{i} \frac{1}{2} m_i \cdot v_i^2\)
      • Rotatorisch: \(E_{kin,rot} = \sum_{i} \frac{1}{2} I_i \cdot \omega_i^2\)
    2. Momentane innere Leistung
      • \(P_{Int}(t) = \frac{\Delta E_{kin}}{\Delta t}\)
      • Nur positive Leistungsanteile: \(P_{Int,pos}(t) = max(0, P_{Int}(t))\)
    3. Mittlere innere Leistung
      • \(\bar{P}_{Int} = \bar{P}_{Int,links,pos} + \bar{P}_{Int,rechts,pos}\)
    4. Innere Arbeit
      • \(W_{Int} = \frac{\bar{P}_{Int} \cdot t}{1000}\)

Link: Website/Innere Arbeit

Innere Arbeit (WInt)

Link: Website/Innere Arbeit

Innere Arbeit (WInt)

Link: Website/Innere Arbeit

Innere Arbeit nach Winter (1979)

  • Unterschiede:
    1. Integration der potentiellen Energie aller Segmentschwerpunkte
      • \(E_{pot} = m \cdot g \cdot h\)
    2. Einbeziehung des HAT-Segments (Kopf-Arme-Rumpf)
    3. Vollständiger Energietransfer zwischen allen Segmenten
      • \(E_{gesamt}(t) = \sum_{i=1}^{N} [E_{pot}(i,t) + E_{kin,trans}(i,t) + E_{kin,rot}(i,t)]\)
      • Energieaustausch zwischen Segmenten möglich

  • Vorteile:
    1. Physiologisch plausiblere Ergebnisse
    2. Erfasst die größeren Auf- und Abbewegungen des Körperschwerpunkts
    3. Bessere Übereinstimmung mit gemessenen metabolischen Parametern
    4. Vergleichbare Werte zwischen Steh- und Sitzposition

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

EPot

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

EKin,trans

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

EKin,rot

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

EKin,gesamt

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

EGesamt

ΔEGesamt

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

PInt

Link: Website/Innere Arbeit - Winter (1979)

Forschungsstand

  • Großteil der Wirkungsgradbestimmungen primär in sitzender Position

Bisherige vergleichende Wirkungsgradbestimmungen:

  • Bruttowirkungsgrad:
    • Millet et al. (2002): Sitzen 22.4% vs. Stehen 22.5%
    • Bouillod & Pinot (2014): Sitzen 20.6% vs. Stehen 21.5% (signifikant)
    • Carlsson et al. (2024): Sitzen 21.3% vs. Stehen 21.3% vs. alternierend 21.0%
  • Nettowirkungsgrad:
    • Harnish et al. (2007):
      • Bei 50% Pmax: Sitzen 24.2% vs. Stehen 25.1%
      • Bei 65% Pmax: Sitzen 25.2% vs. Stehen 25.7%
      • Bei 75% Pmax: Sitzen 26.0% vs. Stehen 26.7%
      • Intensitätsabhängiger Anstieg + signifikanten Positionsunterschiede

Link: Website/Radfahren im Sitzen und Stehen

Forschungsfrage

  • Fokus in der Literatur auf ηBrutto und ηNetto
    • Keine Integration anaerober Energieanteile
    • Vernachlässigung der inneren Arbeit im Stehen → Drehzahlabhängigkeit

Keine empirischen Untersuchungen, die den ηmuskulär zwischen sitzender und stehender Fahrposition systematisch vergleichen


Forschungsfrage:
Wie unterscheidet sich der muskuläre Wirkungsgrad zwischen sitzender und stehender Position bei verschiedenen Intensitäten?

Link: Website/Forschungsfragen & Hypothesen

Hypothese

“Es wird erwartet, dass die Unterschiede des muskulären Wirkungsgrades zwischen den Fahrpositionen intensitätsabhängig sind. Die Annahme ist, dass sich bei leichter Belastungsintensität der muskuläre Wirkungsgrad signifikant zwischen sitzender und stehender Position unterscheidet, während bei moderater und schwerer Intensität keine signifikanten Unterschiede des muskulären Wirkungsgrades zwischen den Fahrpositionen vermutet werden.”


  • H0: Der muskuläre Wirkungsgrad (ηmuskulär) unterscheidet sich in keiner Intensitätsstufe signifikant zwischen sitzender und stehender Fahrposition.
    ➙ ηmuskulär,sitzen = ηmuskulär,stehen
  • H1: Der muskuläre Wirkungsgrad (ηmuskulär) unterscheidet sich in mindestens einer Intensitätsstufe signifikant zwischen sitzender und stehender Fahrposition.
    ➙ ηmuskulär,sitzen ≠ ηmuskulär,stehen

Link: Website/Forschungsfragen & Hypothesen

Methodik: Einschlusskriterien & Stichprobe

  • Insgesamt 24 Testpersonen
  • 11 erfüllten die Einschlusskriterien → \(\dot{V}O_{2,max}\) > 65 [ml·min-1]
  • 9 Testpersonen: (2 Frauen | 7 Männer)
  • \(\dot{V}O_{2,max}\) = 3900 - 6181 [ml·min-1] | \(\dot{V}O_{2,max,relativ}\) = 67.8 - 81.3 [ml·min-1·kg-1]

Link: Website/Stichprobe

Methodik: Messmethoden

  • Anthropometrische Messungen: Körpermasse, Körperlänge, Umfang & Durchmesser der Gliedmaßen
  • Fahrradergometer: Lode - Excalibur Sport
  • Atemgasanalyse: Cortex - MetaMax 3B
  • Blutlaktatanalysegerät: EKF diagnostic- Biosen S-Line Lab+
  • Herzratenmessung: Polar - H10
  • 3D-Kinematik Daten: Reflektierende Marker + Vicon Vero Kameras

Link: Website/Messmethoden

Methodik: Testtag 1

1. Stufentestsitzen

Startlast: 60/80 [Watt]
Stufen: 15/20 [Watt]
Stufendauer: 30 [s]

2. Stufenteststehen

Startlast: 150/200 [Watt]
Stufen: 15/20 [Watt]
Stufendauer: 30 [s]

3. Drehzahltest

Start-Drehzahl: 70 [U·min-1]
Stufen: 5 [U·min-1]
Stufendauer: 30 [s]


Link: Website/Studiendesign

Methodik: Testtag 2

1. Leicht

Last: \(\small P_{mech,VT_1}-0.075 \cdot P_{mech,max}\) [Watt]
Dauer: 300 [s]

2. Moderat

Last: \(\small P_{mech,VT_1}\) [Watt]
Dauer: 300 [s]

3. Schwer

Last: \(\frac{P_{mech,VT_1} + P_{mech,VT_2}}{2}\) [Watt]
Dauer: 300 [s]


Link: Website/Studiendesign

Methodik: Statistische Analyse

  • Voraussetzungsprüfungen:
    • Shapiro-Wilk (Normalverteilung), Levene (Varianzhomogenität), Mauchly (Sphärizität)
  • Hauptanalyse:
    • 2x3 ANOVA mit Messwiederholung
      • Faktor A: Körperposition (sitzen, stehen)
      • Faktor B: Intensität (leicht, moderat, schwer)
  • Post-hoc Tests:
    • Gepaarte t-Tests mit Bonferroni-Korrektur
    • Bei Voraussetzungsverletzung: Wilcoxon-Tests
  • Signifikanz:
    • ANOVA: ηp² (klein ≥ 0.01, mittel ≥ 0.06, groß ≥ 0.14)
    • Paarvergleiche: d (trivial < 0.2, klein ≥ 0.2, mittel ≥ 0.5, groß ≥ 0.8)
    • Signifikanzniveau: α = .05 (*** p < .001, ** p < .01, * p < .05)

Link: Website/Statistische Analyseverfahren

Ergebnisse: Bedingungen

Link: Website/Wirkungsgrad- und Stoffwechselparameter

Ergebnisse: Bedingungen x Intensitäten

Link: Website/Wirkungsgrad- und Stoffwechselparameter

Ergebnisse: Muskulärer Wirkungsgrad

Hypothesenprüfung:

  • Signifikanter Effekt der Bedingung
    (p = .024*)
  • Signifikanter Effekt der Intensität
    (p = .018*)
  • Signifikanter Interaktionseffekt
    (p = .003**)
  • H0 für “leicht” wird abgelehnt
  • H1 wird angenommen

Intensitätsspezifische Unterschiede:

  • Leicht: (p = .011*, d = 1.36)
  • Moderat: (p = .153, d = .76)
  • Schwer: (p = .807, d = .40)
  • Größter Unterschied bei leichter Belastung
  • Effekt nimmt mit steigender Intensität ab
  • Signifikante Haupteffekte für Bedingung (p = .024) und Intensität (p = .018)
  • H1 wird angenommen → “ηmuskulär unterscheidet sich in mindestens einer Intensitätsstufe signifikant zwischen den Fahrpositionen”

Link: Website/Wirkungsgrad- und Stoffwechselparameter

Muskulärer Wirkungsgrad & Gesamtwirkungsgrad

Muskulärer Wirkungsgrad:

  • Sitzen: 24.98 ± 1.06% vs. Stehen: 24.07 ± 0.96%
  • Systematischer Abfall mit steigender Intensität
  • Signifikanter Unterschied in der leichten Intensität

Gesamtwirkungsgrad:

  • Sitzen: 22.06 ± 0.70% vs. Stehen: 22.32 ± 1.34%
  • Systematischer Abfall im Sitzen mit steigender Intensität
  • Keine signifikanten Unterschiede
  • Größter Unterschied bei leichter Belastung
  • Effekt nimmt mit steigender Intensität ab
  • Signifikante Haupteffekte für Bedingung (p = .024) & Intensität (p = .018)

Link: Website/Wirkungsgrad- und Stoffwechselparameter

Bruttowirkungsgrad & Nettowirkungsgrad

Bruttowirkungsgrad:

  • Sitzen: 22.30 ± 0.78% vs. Stehen: 22.55 ± 1.47%
  • Signifikanter Interaktionseffekt zwischen Intensität & Bedingung (p = .026*)
  • Post-hoc Analysen: Kein signifikanter Unterschied (Schwer vs. Schwer; p = .128)
  • Signifikanten Effekt der Intensität (p = .046*) → Anstieg mit steigender Intensität

Nettowirkungsgrad:

  • Sitzen: 24.81 ± 0.82% vs. Stehen: 25.07 ± 1.55%
  • Signifikanter Interaktionseffekt zwischen Intensität & Bedingung (p = .028*)
  • Post-hoc Analysen: Kein signifikanter Unterschied (Schwer vs. Schwer; p = .148)
\(\eta\) Berechnung
\(\eta_\text{Brutto}\) \(\frac{W_\text{mech}}{W_\text{Aerob}}\)
\(\eta_\text{Netto}\) \(\frac{W_\text{mech}}{W_\text{Aerob} - W_\text{Ruhe}}\)
\(\eta_\text{Total}\) \(\frac{W_\text{mech}}{W_\text{Tot} - W_\text{Ruhe}}\)
\(\eta_\text{muskulär}\) \(\frac{W_\text{mech} + W_\text{Int}}{W_\text{Tot} - W_\text{Ruhe}}\)

→ Keine signifikanten Positionsunterschiede außer bei ηmuskulär
→ Kein signifikant unterschiedlicher Energieumsatz für die absolvierte Wmech zw. den Positionen

  • ηTotal: Stabil über Intensitäten
  • ηNetto: Leichter Anstieg mit Intensität
  • ηBrutto: Signifikanter Anstieg (leicht zu schwer)
  • ηArbeit: Deutlicher Abfall mit Intensität
  • Alle Wirkungsgrade zeigen spezifische Intensitätsabhängigkeit
  • Tendenz, dass bei Brutto und Nettowirkungsgrad Stehen signifikant unterscheidet

Link: Website/Wirkungsgrad- und Stoffwechselparameter

Einordnung der Ergebnisse

\[ \scriptsize \text{η}_{muskulär} = \frac{\text{W}_{mech} + \text{W}_{Int}}{\text{W}_{Aerob} + \text{W}_{BLC} + \text{W}_{PCr} - \text{W}_{Ruhe}} \]

  • Keine signifikanten Unterschiede in metabolischer Arbeit (WTOT, WAerob, WPCr, WBLC)
  • Signifikant höhere mechanische Arbeit (Wmech) im Stehen
  • Signifikant höhere innere Leistung (PInt) im Sitzen → Kubische Drehzahlabhängigkeit
  • Signifikant höhere externe Gesamtarbeit (WTot) im Sitzen
  • Bestätigung der intensitätsabhängigen Beziehung
  • Physiologische Parameter sonst vergleichbar

Link: Website/Diskussion

Einordnung der Ergebnisse

→ Unterschiede von ηmuskulär wahrscheinlich durch PInt-Berechnung bedingt
→ ηtotal zeigt keine signifikanten Positionsunterschiede
→ Trotz unterschiedlicher Trittraten sollten PInt-Werte vergleichbar sein


Validität der PInt-Berechnung:

  • Im Sitzen: Bestätigung durch Literaturwerte (Hansen et al., 2004)
  • Im Stehen:
    • Keine Referenzwerte verfügbar
    • Wahrscheinlich methodisch bedingte Unterschätzung
    • Nach Winter-Berechnungsmethode sind PInt-Werte im Stehen deutlich höher
    • Notwendigkeit einer methodischen Überarbeitung
  • Vergleichbarkeit der Gesamtarbeit:
  • Keine signifikanten Unterschiede in ηtotal und ηBrutto, ηNetto
  • Vergleichbarer physiologischer Gesamtenergieumsatz

Link: Website/Diskussion

Praktische Relevanz

  • Stehen als valide Alternative zum Sitzen:
    • Vergleichbare Wirkungsgrade (außer ηmuskulär)
    • Ermöglicht Variation der Muskelbelastung
    • Tendenziell minimal höhere η-Werte im Stehen


  • Praxisempfehlungen:
    • Für kurzzeitige Maximalleistungen
    • Bei niedrigen Geschwindigkeiten → Luftwiderstand ↑
    • Vorzugsweise bei steilen Anstiegen

Link: Website/Diskussion

Methodenkritik & Limitationen

Stichprobe:

  • Geringe Stichprobengröße (N=9)
  • Unausgewogenes Geschlechterverhältnis
  • Eingeschränkte statistische Power

Methodische Aspekte:

  • Laborwerte nicht 1:1 übertragbar mehr → laterale Freiheitsgrade in der Praxis
  • Überschätzte ventilatorische Schwellen
  • “Leichte” Intensität zu hoch (73% VO2max)
  • Kurze Erholungszeiten (10 min)
  • Aktive statt passive Nachbelastung
  • Trittrate während Nachbelastung nicht kontrolliert
  • Eingeschränkte Generalisierbarkeit
  • Intensitätsabstufung suboptimal
  • EPOC-Messung problematisch

Link: Website/Diskussion

Ausblick

Verbesserte PInt-Modellierung:

  • Alternative Berechnungsansätze:
    • Validierung durch Vergleiche bei definierten externen Gesamtleistungen \(P_{TOT} = P_{mech} + P_{Int}\)
    • Extrapolation über \(\Delta\dot{V}O_{2,\text{unloaded}}\) durch absolvieren mehrere Leistungsstufen bei konstanter Trittrate
  • Integration von Zusatzmessungen für das HAT-Segment:
    • Messung von Lenkerkräften zur Massenverteilungsbestimmung
    • Erfassung der Oberkörperoszillationen
    • Berücksichtigung der isometrischen Haltearbeit
  • Optimierung der Segmentparameter:
    • Individuelle bildgebende Verfahren
    • Präzise anthropometrische Messungen

Link: Website/Diskussion

Ausblick

Weitere Forschungsaspekte:

  • Torque Efficiency & negative Leistung:
    • Zusammenhang mit Wirkungsgraden
  • Ermüdungseffekte bei Leistungsspitzen:
    • Pedal Smoothness
    • Neuromuskuläre Ermüdung
  • Wärmeenergieanteil & -messung:
    • Validierung der Wirkungsgradberechnungen
    • Direkte Wirkungsgradbestimmung

Link: Website/Diskussion

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